📕我是廖志伟，一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》（基础篇）、（进阶篇）、（架构篇）清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、CSDN博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。
📘拥有多年一线研发和团队管理经验，研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper)，消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。
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一、JVM知识体系
在深入探讨Java虚拟机（JVM）的知识体系之前，我们首先需要了解JVM作为Java程序运行时环境的核心作用。JVM负责将Java源代码编译成的字节码转换为机器码，从而在各个平台上实现“一次编写，到处运行”的理念。
类加载机制
类加载机制是JVM的核心机制之一，它负责将Java源代码编译成的.class文件加载到JVM中。类加载的过程可以分为以下几个阶段：
- 加载（Loading）：类加载器将.class文件加载到JVM中，并生成一个Class对象。这个过程涉及以下几个步骤：
- 查找类定义：类加载器首先在类路径（classpath）中查找指定的类文件。
- 定义类：将找到的类文件转换为内存中的二进制数据结构，并创建一个Class对象。
- 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全问题时再加载。验证过程包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
- 连接（Linking）：连接过程包括验证、准备和解析三个步骤。
- 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全问题时再加载。验证过程包括：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
- 准备：为类变量分配内存，并设置默认初始值。这个过程不涉及类实例的创建，只对类变量进行初始化。
- 解析：将符号引用转换为直接引用。符号引用是编译时生成的，而直接引用是运行时生成的，指向方法区的指针、相对偏移量或动态生成的直接引用。
- 初始化（Initialization）：执行类构造器（
()），初始化类变量。这个过程包括：
- 初始化类变量。
- 执行静态初始化代码块。
- 执行静态代码块。
双亲委派模型
双亲委派模型是JVM中类加载机制的一个重要特性。在这个模型中，类加载器会首先请求父类加载器加载类，只有当父类加载器无法完成时，才会尝试由自己加载。这种模型的优点是：
- 避免类的重复加载。
- 确保Java类库的稳定。
自定义类加载器
自定义类加载器允许开发者控制类的加载过程，这在模块化系统和热部署中非常有用。自定义类加载器可以继承抽象类ClassLoader或实现接口ClassLoader，并重写其中的方法。
模块化系统（JPMS）
Java Platform Module System（JPMS）是Java 9引入的一个模块化系统，它允许开发者将应用程序分解为多个模块，以提高性能和安全性。模块化系统通过以下方式实现：
- 模块化：将应用程序分解为多个模块，每个模块包含一组类和资源。
- 服务提供者：模块可以提供和请求服务。
- 资源共享：模块之间可以共享资源。
内存模型
JVM的内存模型包括以下几个部分：
- 运行时数据区：
- 堆：存储几乎所有的Java对象实例和数组。堆是JVM管理的最大内存区域，其大小受限于系统内存和JVM参数配置。
- 栈：存储线程的运行状态，包括局部变量表、操作数栈、方法出口等信息。栈的大小由JVM参数配置决定。
- 方法区：存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量等数据。方法区的大小由JVM参数配置决定。
- PC寄存器：用于存储指向下一条指令的地址。PC寄存器是线程私有的。
内存溢出场景分析
内存溢出通常发生在堆空间不足时，常见的原因包括：
- 创建了过多的对象。
- 长时间占用内存的对象没有被回收。 内存溢出会导致应用程序崩溃，因此需要通过以下方式解决：
- 优化代码，减少对象创建。
- 使用垃圾回收器，回收不再使用的对象。
- 调整JVM参数，增加堆空间大小。
垃圾回收
垃圾回收（GC）是JVM自动管理内存的重要机制。它通过以下步骤来回收不再使用的对象：
- GC Roots可达性分析：从GC Roots开始，向上遍历可达对象，确定哪些对象是可达的。GC Roots包括：
- 栈中的局部变量。
- 方法区中的静态变量。
- 方法区中的常量。
- 分代收集理论：将对象分为新生代（Young）、老年代（Old）和永久代（Perm）。分代收集的目的是为了提高垃圾回收效率。
- 新生代：用于存放新创建的对象。新生代采用复制算法进行垃圾回收，将存活对象复制到另一个空间。
- 老年代：用于存放长期存活的对象。老年代采用标记-清除或标记-整理算法进行垃圾回收。
- 永久代：用于存放静态数据。永久代采用标记-清除算法进行垃圾回收。
- 引用类型：包括强引用、软引用、弱引用和虚引用。引用类型决定了对象的存活时间。
- 强引用：最常用的引用类型，当有强引用指向对象时，对象不会被回收。
- 软引用：当内存不足时，JVM会回收软引用指向的对象。
- 弱引用：比软引用更弱，当垃圾回收器运行时，会回收弱引用指向的对象。
- 虚引用：最弱的引用类型，对象是否被回收完全由垃圾回收器决定。
- 垃圾回收算法：
- 标记-清除：标记可达对象，清除不可达对象。这种方法会导致内存碎片。
- 复制：将对象复制到另一块内存，回收旧内存。这种方法不会产生内存碎片，但会降低空间利用率。
- 整理：移动对象，回收碎片。这种方法可以提高空间利用率，但会增加运行时间。
并发收集器
并发收集器如CMS（Concurrent Mark Sweep）和G1（Garbage-First）等，可以在应用程序运行时进行垃圾回收，减少停顿时间。并发收集器的优点是：
- 减少停顿时间。
- 提高系统吞吐量。
停顿时间控制策略
JVM提供了多种策略来控制停顿时间，例如G1的暂停时间目标。控制停顿时间的策略包括：
- 选择合适的垃圾回收器。
- 调整JVM参数。
- 优化代码。
性能调优
性能调优涉及JVM参数配置、内存泄漏诊断和JIT编译优化等方面。性能调优的步骤包括：
- 分析性能瓶颈。
- 优化代码。
- 调整JVM参数。
- 使用性能分析工具。
二、Spring Boot知识体系
Spring Boot是一个开源的Java框架，旨在简化Spring应用的初始搭建以及开发过程。
自动配置
Spring Boot的自动配置功能可以自动配置大多数Spring应用，减少手动配置的工作量。自动配置的原理如下：
- 条件化配置：根据类路径下添加的jar依赖，自动配置相关Bean。
- 自动配置原理：Spring Boot会根据类路径下添加的jar依赖，查找对应的配置类，并根据配置类中的注解和属性自动配置Bean。
@EnableAutoConfiguration原理
@EnableAutoConfiguration注解通过条件化配置来实现自动配置。它根据类路径下添加的jar依赖，自动配置相关Bean。@EnableAutoConfiguration的原理如下：
- 条件化配置：根据类路径下添加的jar依赖，自动配置相关Bean。
- 自动配置原理：Spring Boot会根据类路径下添加的jar依赖，查找对应的配置类，并根据配置类中的注解和属性自动配置Bean。
条件化配置（@Conditional）
条件化配置允许开发者根据特定的条件来启用或禁用配置。条件化配置的原理如下：
- 条件注解：Spring Boot提供了多种条件注解，如@ConditionalOnClass、@ConditionalOnBean、@ConditionalOnProperty等。
- 条件化配置：根据条件注解指定的条件，自动配置相关Bean。
自定义Starter开发
自定义Starter可以帮助开发者将常用的依赖和配置封装起来，方便其他开发者使用。自定义Starter的步骤如下：
- 创建一个Maven项目。
- 添加Spring Boot的起步依赖。
- 创建一个配置类，用于配置Bean。
- 创建一个starter打包方式，将配置类和依赖打包成jar包。
起步依赖
起步依赖（Starter POM）是Spring Boot提供的依赖管理机制，它简化了依赖的配置。起步依赖的原理如下：
- 定义依赖版本。
- 将依赖打包成jar包。
- 提供自动配置功能。
依赖管理机制（BOM文件）
BOM（Bill of Materials）文件用于定义一组依赖的版本，确保项目中的所有依赖版本一致。BOM文件的原理如下：
- 定义依赖版本。
- 将依赖打包成jar包。
- 提供自动配置功能。
版本冲突解决
版本冲突可以通过选择兼容的依赖版本或使用依赖管理工具来解决。版本冲突解决的步骤如下：
- 检查依赖树。
- 选择兼容的依赖版本。
- 使用依赖管理工具解决冲突。
第三方库集成模式
Spring Boot支持多种第三方库的集成模式，包括自动配置、配置属性和配置文件等。第三方库集成模式的原理如下：
- 自动配置：根据类路径下添加的jar依赖，自动配置相关Bean。
- 配置属性：在配置文件中配置第三方库的属性。
- 配置文件：在配置文件中配置第三方库的属性。
Actuator
Spring Boot Actuator提供了健康检查、度量指标收集和自定义Endpoint等功能。Actuator的原理如下：
- 健康检查：通过HTTP请求检查应用程序的健康状态。
- 度量指标收集：收集应用程序的性能数据，如内存使用情况、线程数量等。
- 自定义Endpoint：自定义端点，提供额外的监控和配置信息。
健康检查端点
健康检查端点允许开发者检查应用程序的健康状态。健康检查端点的原理如下：
- 健康检查类：定义应用程序的健康状态。
- 健康检查端点：通过HTTP请求检查应用程序的健康状态。
度量指标收集
度量指标收集可以收集应用程序的性能数据，用于监控和分析。度量指标收集的原理如下：
- 度量指标类：定义应用程序的度量指标。
- 度量指标收集器：收集应用程序的度量指标。
自定义Endpoint开发
自定义Endpoint允许开发者定义自己的端点，提供额外的监控和配置信息。自定义Endpoint的原理如下：
- Endpoint类：定义自定义端点。
- Endpoint端点：提供自定义端点。
配置文件管理
Spring Boot支持多环境配置，通过配置文件（application-{profile}.yml）来区分不同环境。配置文件管理的原理如下：
- 配置文件：定义应用程序的配置信息。
- 环境变量：定义应用程序的环境变量。
- 配置文件优先级：根据配置文件的位置和名称来调整配置文件的加载优先级。
配置加载优先级
配置文件的加载优先级可以根据配置文件的位置和名称来调整。配置文件加载优先级的原理如下：
- 配置文件位置：配置文件的位置决定了配置文件的加载优先级。
- 配置文件名称：配置文件的名称决定了配置文件的加载优先级。
动态配置刷新
Spring Boot支持动态配置刷新，允许在运行时更新配置。动态配置刷新的原理如下：
- 配置文件修改：修改配置文件。
- 配置刷新：刷新配置。
监控与日志
Spring Boot集成了Micrometer和Logback/SLF4J等监控和日志框架。监控与日志的原理如下：
- Micrometer：用于收集应用程序的性能数据。
- Logback/SLF4J：用于记录应用程序的日志信息。
分布式链路追踪
Spring Boot支持分布式链路追踪，如Zipkin和Jaeger。分布式链路追踪的原理如下：
- Zipkin：用于收集分布式链路追踪数据。
- Jaeger：用于收集分布式链路追踪数据。
扩展机制
Spring Boot提供了自定义AutoConfigurationBean和生命周期扩展点等扩展机制。扩展机制的原理如下：
- 自定义AutoConfigurationBean：自定义AutoConfigurationBean，扩展自动配置功能。
- 生命周期扩展点：扩展Spring Boot的生命周期。
响应式编程支持
Spring Boot支持响应式编程，通过Spring WebFlux等组件实现。响应式编程的原理如下：
- Spring WebFlux：用于实现响应式编程。
- Reactor：用于实现响应式编程。
总结
JVM和Spring Boot是Java开发中不可或缺的知识体系。理解JVM的类加载机制、内存模型和垃圾回收等概念，可以帮助开发者更好地优化Java应用程序的性能。而Spring Boot的自动配置、模块化系统和扩展机制等特性，则极大地简化了Spring应用的开发过程。通过掌握这些知识点，开发者可以更高效地构建高性能和可维护的Java应用。
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